[发明专利]基于能量闭环的双有源桥直流变换器直接功率控制方法

说明书

本发明公开了基于能量闭环的双有源桥直流变换器直接功率控制方法，适用于大功率双向直流变换领域。本发明针对双向全桥直流变换器动态响应问题，在单移相控制的基础上，根据输出能量平衡方程，采样输出电压U_out取平方构造输出电容能量闭环，通过基于双有源桥直流变换器功率传输模型的直接功率控制得到相移角的大小，生成开关控制信号，实现双有源桥直流变换器输出电压的快速调节。该方法能有效提升变换器对负载突变时输出电压的动态响应速度，且仅需要采样输出电压，成本低，对模型参数不敏感，易于设计和工程实现。

技术领域

本发明属于电气工程中双向直流变换器能量传输技术领域，具体涉及一种基于能量闭环的双有源桥直流变换器直接功率控制方法。

背景技术

双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)直流变换器作为大功率直流-直流变换器的替代方案自被提出以来，因其具有电气隔离、高功率密度、能量双向流动、升降电压变换以及易于模块化级联等优点被广泛应用于电动汽车、分布式发电、电力电子变压器、机车电力牵引系统等高压、大功率、双向直流能量变换系统。

为适应上述工业应用中复杂多变的运行工况，作为直流电压功率变换单元的DAB需具备优良的动态响应性能，特别是在负载突变下输出电压的动态响应性能。传统的基于PI调节器的输出电压闭环单移相控制方法难以满足相关的动态响应性能要求，因此国内外众多学者针对DAB变换器动态响应速度的提升展开了广泛的研究。

DAB动态响应速度提升的方法大体上可以分为三类：第一类是通过引入电流的反馈或前馈，加快电流响应速度，提升动态响应性能，如文献《Segaran D,Holmes D,HolmesG.Enhanced load step response for a bidirectional DCDC converter[J].IEEETransactions on Power Electronics,2013,28(1):371-379.》(《双向DCDC变换器负载阶跃快速响应方法》—2013年IEEE电力电子期刊)中提出的通过采样负载电流，引入负载电流前馈的方法加快DAB的动态响应速度，但增加了负载电流的采样，增加了系统的成本；第二类为通过建立DAB功率传输的小信号模型和时间平均等效模型，带入相关参数直接计算移相角，从而控制输出功率快速达到给定值，加快DAB的动态响应速度，如中国发明专利《一种应用于全桥隔离DC-DC变换器的直接功率控制方法》(公开号：CN105141136A)提出的通过电压外环PI闭环得到功率给定值，结合DAB的功率传输模型完成直接功率控制，加快DAB的动态响应性能，但是将电压外环PI闭环的输出作为功率给定值，物理意义不明确，不利于PI调节器的参数设计与全功率范围内动态性能的提高；第三类为将前两类方法结合的控制方法，如中国发明专利《提高全桥隔离DC-DC变换器输出电压动态响应的负载电流前馈控制方法》(公开号：

CN105048821B)中提出了一种结合DAB功率传输模型，同时引入负载电流前馈的方法提高DAB的动态响应性能，但同样因电流采样增加了系统成本。

上述分析表明现有方法虽然能在一定程度上有效提升DAB的动态响应速度，但均存在各自的不足之处，因此有必要对DAB动态性能的提高做进一步的探索。

发明内容

本发明针对双有源桥直流变换器动态响应问题，在传统基于PI调节器的输出电压闭环单移相控制方法的基础上提出了一种基于能量闭环的直接功率控制方法。该方法根据输出能量平衡方程，采样输出电容电压取平方构造输出电容能量闭环，结合DAB功率传输模型完成直接功率控制，实现输出电压的快速调节。该方法能有效提升变换器对负载突变时输出电压的动态响应速度，且仅需要采样输出电压，成本低，对模型参数不敏感，易于设计和工程实现。